Введение к работе
Актуальность работы. В ряде современных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для формирования изображений подстилающей поверхности в нескольких спектральных диапазонах используется принцип пространственного разделения потока отраженной лучистой энергии по нескольким оптико-электронным преобразователям (ОЭП). Для этого в фокальной плоскости сканирующего устройства устанавливаются с небольшим смещением друг относительно друга вдоль направления полета спутника одиночные линейки или составные матрицы на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС) с одномоментной регистрацией или работающие в режиме накопления заряда. Для обеспечения спектрозональной съемки перед каждым ОЭП устанавливают соответствующие полосовые светофильтры. Преимущество данного подхода заключается в отсутствии традиционно используемой при построении сканирующих устройств сложной и дорогостоящей спектроделительной системы, которая приводит к ослаблению регистрируемого сигнала и снижению радиометрического разрешения видеоинформации.
В соответствии с рассмотренным принципом спроектированы: съемочное устройство высокого разрешения «Геотон-Л1» космического аппарата (КА) «Ресурс-ДК», аппаратура комплекса многозональной сканерной съемки (КМСС) гидрометеорологического спутника «Метеор-М», а также съемочные устройства на проектируемом КА «Ресурс-П». В данных системах наблюдение одних и тех же объектов подстилающей поверхности в разных спектральных диапазонах происходит, во-первых, с небольшой временной задержкой, а во-вторых, под разными углами от надира. Отсюда возникает возможность сте-реофотограмметрической обработки спектрозональных изображений, что позволяет получать информацию о трехмерной структуре сцены и решать ряд важных практических задач, связанных с определением высоты верхней границы и скорости движения облачности, объёмным дешифрированием снимков и
др.
В отличие от традиционно используемых вариантов реализации стереоскопических наблюдений на одном витке полета спутника, основанных на применении нескольких съемочных устройств или сложных механизмов управления движением КА, каких-либо доработок рассмотренные системы спектрозональной съемки не требуют. Однако вопросы стереообработки получаемых от них изображений и формирования востребованных практикой информационных продуктов оставлены без внимания. С учетом этого в диссертации даётся решение актуальной научно-технической задачи, связанной с созданием алгоритмического и математического обеспечения стереофотограмметрической обработки информации от систем спектрозональной съемки земной поверхности и направленной на расширение сферы практического применения средств ДЗЗ.
Степень разработанности темы. Проблемы обработки спутниковых изображений достаточно широко отражены в трудах Агапова СВ., Асмуса В.В., Журкина И.Г., Лобанова А.Н., Лупяна Е.А., Погорелова В.В., Тюфлина Ю.С., Урмаева М.С., Ackermann F., Gonzalez R., Kronberg P., Pratt W.,
Rosenfeld A., Woods R. и других отечественных и зарубежных ученых. Работы этих авторов составляют научно-методическую основу для решения задач, поставленных в диссертации.
Вопросы стереофотограмметрической обработки изображений рассматривались в работах многих авторов, на сегодняшний день имеется ряд программных реализаций этой функции в известных геоинформационных системах (ГИС). К сожалению, непосредственное использование готовых ГИС для обработки спектрозональных стереоизображений затруднительно, поскольку, во-первых, эти системы базируются на обобщенных моделях формирования ска-нерных снимков, использование которых для ориентирования отдельных кадров требует большого числа опорных точек, в то время как необходимо оперативно обрабатывать протяженные маршруты съемки с изменяющейся ориентацией спутника; во-вторых, с низкой достоверностью идентифицируются одноименные точки на стереоизображениях разного спектрального содержания, что требует большого количества ручных операций по контролю и проверке результатов; в-третьих, данные ГИС не позволяют формировать важные для практики информационные продукты по данным от спектрозональных съемочных устройств.
В ряде работ, связанных с разработкой математических моделей сканер-ной съемки, для определения элементов внешнего ориентирования применяется метод дифференциального уточнения параметров с использованием опорной информации. Однако при этом не всегда удается достичь высокой точности расчетов, поскольку наряду с ошибками динамических параметров внешнего ориентирования в моделях присутствуют и статические погрешности, вызванные неточностью задания элементов внутреннего ориентирования съемочных устройств и установочных углов навигационного оборудования. Кроме того, в известных решениях не учитываются особенности спектрозональной съемки, для которой законы изменения элементов внешнего ориентирования в процессе получения определенных участков снимков одинаковы. В этой связи важными являются исследования по получению моделей формирования видеоданных сканирующими устройствами в условиях орбитального полета, для которых представляется возможным надежно определить статические параметры и оперативно устранить погрешности динамических параметров при ограниченном объеме опорной информации.
В недостаточной степени рассмотрены вопросы высоконадежного автоматического поиска одноименных и опорных точек на спектрозональных изображениях при их значительном координатном рассогласовании. Оставлена без внимания проблема обработки стереоизображений, полученных при съемке движущихся объектов, что приводит к смещению координат одноименных точек не только в строчном, но и в кадровом направлениях на стереопаре.
Актуальными являются исследования по организации высокоскоростного вычислительного процесса на современных многоядерных и графических процессорах, что является важным при создании высокопроизводительных систем стереофотограмметрической обработки спектрозональных изображений.
Цель диссертации состоит в разработке математических моделей и алгоритмов стереофотограмметрической обработки спектрозональной спутниковой видеоинформации для проектирования на их основе программного обеспечения оперативного получения трехмерных изображений земной поверхности от систем ДЗЗ, реализующих принцип разновременной съемки подстилающей поверхности.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
обоснование возможности практического применения результатов обработки спектрозональных стереоизображений земной поверхности;
разработка моделей формирования и стереофотограмметрической обработки спектрозональных спутниковых снимков;
разработка алгоритмов совместного анализа разновременных изображений;
проектирование программного обеспечения стереообработки данных от систем спектрозональной съемки Земли.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней разрабатываются математические модели, описывающие процесс формирования изображений с учетом статических и динамических искажающих факторов, эффективные алгоритмы совместного анализа снимков разных спектральных диапазонов и организации вычислительного процесса, позволяющие выполнять стереофото-грамметрическую обработку видеоданных от систем разновременной спектрозональной съемки для получения новых видов информационных продуктов.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
предложения по практическому применению результатов стереообработки данных от систем спектрозональной съемки Земли;
математическая модель формирования и стереофотограмметрической обработки спектрозональных видеоданных, основанная на полиномиальном описании геометрических параметров сканерной съемочной системы, методике её калибровки по опорным и одноименным точкам, а также алгоритмах оперативного уточнения элементов внешнего ориентирования;
алгоритмы установления соответствия точек на разновременных спектрозональных изображениях, основанные на формировании двумерных карт диспарантностей по стереопарам и отбраковке недостоверных точек с помощью симметричного пирамидального критерия;
комплекс алгоритмов высокоскоростной стереообработки снимков, основанных на совместном использовании графического и центрального процессоров, тейловой организации вычислений, распараллеливании функций и конвейерной обработке видеоданных.
Практическая ценность работы состоит в том, что на базе предложенных математических моделей и алгоритмов разработаны модули для программных комплексов PlanetaMeteor, OrthoNormScan, GeoScan, MeteorSatN, обеспечивающие высокоточную геопривязку и стереофотограмметрическую обработку изображений от КА «Метеор-М» и «Ресурс-ДК» в режиме как спектрозо-
нальной, так и межмаршрутной съемки. С использованием этих модулей выполняется оперативное получение трехмерных моделей подстилающей поверхности, надежная сегментация облачных образований, в том числе на фоне снежного покрова, а также впервые в отечественной практике реализована технология определения высоты верхней границы и скорости движения облачности по данным от пассивных сканирующих устройств.
Реализация и внедрение. Диссертационная работа выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете в рамках ОКР № 4-Ю, № 12-06, № 14-05, № 30-06, № 39-09. Результаты диссертационной работы в виде программного обеспечения внедрены в ОАО «НИИ точных приборов», ОАО «Российские космические системы» и используются на центрах приема и обработки спутниковой информации в г. Москве, Новосибирске, Хабаровске и г. Минске Республики Беларусь.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3 международных и 8 всероссийских научно-технических конференциях: международных конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2008, 2010); международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 2008); всероссийских конференциях «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (Рязань, 2007 - 2 доклада, 2008, 2009); всероссийских конференциях «Интеллектуальные и информационные системы» (Тула, 2007, 2009); всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2008, 2009); всероссийской конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа: 9 статей (в том числе 4 статьи по списку ВАК), 12 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст работы содержит 175 страниц, 48 рисунков и 8 таблиц. Список литературы на 14 страницах включает 135 наименований. В приложении на 2 страницах приведены акты внедрения результатов.
